Chunhai Lyu et al
Uma tabela periódica alternativa dos elementos, com foco em iões altamente carregados, revela uma nova ciência que pode apoiar a procura por relógios atómicos óticos mais precisos.
Segundo o New Scientist, uma nova versão da tabela periódica dos elementos previu centenas de iões altamente carregados que poderiam ser usados para criar a próxima geração de relógios atómicos óticos.
A tabela periódica, inventada por Dmitri Mendeleev em 1869, agrupa os 118 elementos químicos conhecidos de acordo com as suas propriedades químicas. Como os elementos nas mesmas partes da tabela periódica partilham características semelhantes, essa ordenação permitiu aos químicos identificar lacunas na tabela há décadas e, desde então, ajudou a descobrir os elementos para preenchê-las.
A tabela funciona muito bem para os químicos em geral, mas para alguns físicos, que estão mais interessados em encontrar e usar iões de alta energia, não faz o trabalho que eles querem. Essas partículas são usadas em lasers de raios X, na terapia de tumores, em plasmas, para testar teorias fundamentais da física e em relógios óticos.
«Queríamos procurar iões altamente carregados para relógios atómicos, para torná-los muito mais estáveis e precisos», afirma Chunhai Lyu, do Instituto Max Planck de Física Nuclear, em Heidelberg, na Alemanha.
Os átomos são constituídos por um núcleo que contém protões e neutrões, com eletrões dispostos em camadas e subcamadas fora do núcleo. Num átomo, há um número igual de protões com carga positiva e eletrões com carga negativa. Mas os átomos podem ganhar ou perder eletrões, formando iões carregados. Um átomo que perde muitos eletrões torna-se um ião altamente carregado.
Chunhai Lyu et al
A tabela periódica original é ordenada de acordo com o número de protões que existem num átomo de cada elemento. Em vez disso, Lyu e os seus colegas organizaram a sua tabela de acordo com o número de eletrões nos iões.
Quando o átomo de um elemento perde um ou mais eletrões, pode ter o mesmo número de eletrões que um átomo de outro elemento, o que significa que cada célula da tabela pode conter iões de vários elementos que partilham a mesma configuração de eletrões, afirma Lyu.
O resultado é uma tabela em que cada linha representa uma camada de eletrões e cada coluna representa uma subcamada. O layout permitiu a Lyu e aos seus colegas prever o que é conhecido como transições proibidas.
Se um átomo absorve energia — por exemplo, ao colidir com outro átomo — os eletrões podem se mover de uma camada ou subcamada para outra. De acordo com a teoria quântica, algumas dessas transições são muito mais prováveis do que outras, dependendo das camadas onde os eletrões começam e terminam.
Mas também existem transições raras e incomuns que não são estritamente impossíveis, apenas altamente improváveis e lentas de ocorrer. Estas são conhecidas como transições proibidas e, como demoram mais tempo, são muito estáveis, o que as torna ideais para projetar relógios atómicos óticos.
Lyu e os seus colegas utilizaram a sua tabela para prever a existência de 700 iões altamente carregados que poderiam ser utilizados para estas transições, a fim de criar relógios atómicos óticos mais precisos.
Mark Leach, um químico que mantém uma base de dados online de tabelas periódicas e dirige o serviço de consultoria química Meta-Synthesis, afirma que todas essas transições proibidas podem existir.
Agora que as transições foram previstas teoricamente, diz Lyu, é possível ajustar a energia de um feixe de eletrões para colidir com átomos e gerar o ião de alta energia desejado e mantê-lo nesse estado proibido com lasers.
O ião poderia então ser medido experimentalmente com espetroscopia para aprender mais sobre a estrutura energética dos eletrões que giram em torno do núcleo e empregado para construir relógios atómicos ainda mais precisos, diz Lyu.
Esses relógios poderiam ajudar na navegação de naves espaciais distantes da Terra, ajudar a coordenar satélites, testar a teoria da relatividade de Albert Einstein e operar redes de comunicação quântica.
“Isto está muito longe da ideia principal da tabela periódica. É uma configuração de elementos altamente ionizados”, afirma Guillermo Restrepo, do Instituto Max Planck de Matemática nas Ciências, em Leipzig, na Alemanha. “Mas eles descobriram transições interessantes e proibidas, o que abre um novo caminho para melhorar os relógios atómicos, o que é realmente importante”.
